E?ets non locaux dans un écoulement micro?uidique de micelles géantes

Chloé Masselon

Description

Sous la direction de Annie Colin
Thèse soutenue le 09 octobre 2008: Bordeaux 1
L’étude des fluides complexes présente un grand intérêt de par la richesse des phénomènes que font intervenir leur écoulement. Une étude de rhéologie locale de systèmes de micelles géantes en microcanal droit est effectuée. L’expérience montre que les propriétés du fluide soumis à un fort gradient de contrainte ne peuvent être décrites que par une équation rhéologique comportant des termes non locaux. Nous montrons alors l’influence du système de micelles géantes, du confinement ainsi que de la nature des surfaces du microcanal sur ces effets non locaux. Une étude des phénomènes temporels intervenant dans ces écoulements en microcanaux est alors proposée, ainsi qu’une étude préliminaire concernant les écoulements dans des milieux poreux modèles.
-Rhéologie
-Fluides complexes
-Micelles géantes
-Milieux confinés
-Effets non locaux
-Microfluidique
The study of complex fluids flows is of great interest according to the diversity of phenomenon it involves. A study of the local rheology of wormlike micelles flowing in a simple straight microchannel is proposed. Experiments show that the properties of such a fluid undergoing a strong shear stress gradient can only be described by an equation including non local terms. We thereafter show the influence of the wormlike micelles system, of the confinement and of the nature of the microchannel walls on those non local effects. A study of the temporal phenomenon occurring in microfluidic flows of wormlike micelles is then proposed, as well as a preliminary study concerning flows in porous media.
-rheology
-complex fluids
-wormlike micelles
-confined media
-non local effects
-microfluidics
Source: http://www.theses.fr/2008BOR13635/document

Sujets

• Rhéologie
• Microfluidique

Informations

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• Nombre de lectures: 72
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

◦N d’ordre : 3635
THÈSE
présentée à
l’université Bordeaux I
École doctorale des sciences chimiques
parChloé Masselon
pour obtenir le grade de
Docteur
Spécialité : chimie-physique
Effets non locaux dans un écoulement
microfluidique de micelles géantes
Soutenue le 9 octobre 2008
Après avis de :
M. Pavlik Lettinga Rapporteur
M. Grégoire Porte Rapporteur
Devant la commission d’examen formée de :
Mme. Annie Colin
M. PeterOlmsted
M. Jean-Baptiste Salmon
M. Laurent Servant Président
M. Pavlik Lettinga Rapporteur
M. Grégoire Porte Rapporteur
Invité :
M. Mikel Morvan2Remerciements
Mes remerciements s’adressent en premier lieu aux directeurs du LOF, Mathieu Joani-
cot, directeur du laboratoire au commencement de ma thèse, et qui m’a soutenu dans le
choixd’orientationdemonsujet,ainsiquePatrickMaestro,actueldirecteurdulaboratoire.
Je tiens également à remercier l’ensemble des membres du jury, Pavlik Lettinga et
Grégoire Porte, rapporteurs, Peter Olmsted et Laurent Servant, examinateurs, ainsi que
Mikel Morvan, invité, pour avoir examiné mon travail avec beaucoup d’attention.
Je remercie ensuite très sincèrement Annie et Jean-Baptiste pour la qualité et la com-
plémentaritédeleurencadrement.Ilsm’ontfaitdécouvriretapprécierlesmicellesgéantes!
MerciàJBd’avoirpasséautantdetempsàmefaireadopterMatlabouLatex,maissurtout
merci de m’avoir appris à être rigoureuse et à avoir un esprit critique. Merci à Annie pour
toutes ses explications, toutes les discussions, ainsi que pour sa patience et sa sincérité.
Je souhaite également remercier Christophe Pradere, qui m’a ouvert les portes de la
thermique. Il a largement contribué au travail présenté dans le dernier chapitre de cette
thèse. Je le remercie aussi pour sa constante bonne humeur. Je voudrais également remer-
cier Julien Dambrine, avec qui nous avons commencé à travailler sur la modélisation des
systèmes de micelles géantes.
Je voudrais ensuite remercier toutes les personnes que j’ai eu la chance de côtoyer
au LOF, les permanents, les stagiaires, les thésards, les post-docs... Merci pour tous les
conseils, et les discussions. Entre autres merci aux anciens ou présents thésards, post-docs
etformationsenalternanceduLOF,AuroreetInês,lescopinesdelapiscine,Julien,Chris-
tophe, Oriane, Philippe, Vincent, Aurélie. Merci aussi aux membres de la team EOR, pour
leurs conseils et leur bonne humeur, Max, Philippe, Patrick, et particulièrement Guillaume
pour les échanges sur les micelles géantes (sans oublier son successeur au MMN, Philippe
Nghé). Merci à Thomas, maître de cérémonie des pauses café, qu’il anime avec beaucoup
de ferveur; merci à Simon, qui a toujours chouchouté les filles de son premier open space,
merci à Pierre pour ses conseils. Merci à Julie, avec qui j’ai commencé et terminé cette
thèse, nous nous sommes posées et avons répondu à de nombreuses questions ensemble.
Merci à Flavie, pour ses encouragements et ses précieux conseils. Merci à Martine, qui
veille sur tous ses petits du laboratoire comme une tendre maman. Merci à Céline, ma
fée bizarre préférée. Merci à Cindy, la plus belle des futures mamans, Miss millifluidique
sans qui l’ordre ne règnerait pas dans ce labo. Merci à Mali, la plus belle des belles, pour
son soutien, son humour, et finalement son amitié. Et pour terminer avec le LOF, merci
à Fanny, pour son soutien, sa présence et son amitié. J’ai passé avec elle un temps fou
34
pendant ces trois années, et j’espère bien que cela va continuer.
Je n’oublie pas le CRPP : Antoine, avec qui j’ai partagé au caes des déjeuners qui
changent les idées et donnent le sourire, et merci à Emilie, une amie que je suis ravie
d’avoir pu garder près de moi pendant ces trois années encore.
Merci aussi à mes amis : Maider, la plus belle des petites basques, à Julien, exilé en
Martinique, à Axel exilé en Nouvelle-Zélande, et à Florian exilé à Auneau...
Merci à mes amis d’encore plus longue date : Steve, toujours disponible; Reb et Fred,
mes deux mosellanes chéries, merci à Reb pour la constance de son amitié, et merci à Fred
d’être revenue vers moi.
Enfin je tiens à remercier avec beaucoup d’affection toute ma famille : mon Poud, ma
Moude et ma petite soeur Milène, soutiens constants depuis 26 ans. Je voudrais témoigner
toute mon affection pour mes grands parents, papiche, mamiche, papi et mami, auxquels
j’ai souvent pensé et qui m’ont donné du courage pour avancer. J’ai une pensée très émue
pour mami qui nous a quittés à la fin de la première année de cette thèse, l’amour qu’elle
m’a témoigné durant toute sa vie me manque terriblement. Et enfin merci à papi pour son
soutien constant, et aussi pour tous ses colis plein de sucreries réconfortantes.
Enfin merci à Mathieu, avec qui j’ai partagé cette expérience et avec qui j’espère en
partager encore bien d’autres. Merci également à sa famille pour son soutien.
Ces trois années et le travail effectué n’auraient pas été ce qu’ils sont sans toutes ces
personnes.Table des matières
Introduction 9
I Fluides complexes et rhéologie 11
1 Entrée en matière 13
1.1 Fluides complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.1 Élasticité, viscosité et viscoélasticité . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.2 Régime linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.3 Régime non linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.4 Quelques exemples de fluides complexes. . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.5 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 Rhéométrie «classique» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.1 Techniques de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.2 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.2.1 Instabilité inertielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.2.2 Instabilité élastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.2.3 Écoulements hétérogènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.2.4 Fluctuations temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3 Micelles géantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.1 Comportement à l’équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.2 Comportement sous écoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.2.1 Expériences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.2.2 Théories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4 Problématique - organisation du manuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 La vélocimétrie en microfluidique : un outil de rhéologie locale 33
2.1 Principe de la rhéologie locale en microcanal . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.1 Cas général . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.2 Choix d’une géométrie simplifiée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.3 Avantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2 Fabrication des puces microfluidiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.1 Puces en verre type «canyon» à surface rugueuse . . . . . . . . . . 37
56 Table des matières
2.2.2 Puces en verre type «canyon» à surface de PDMS . . . . . . . . . 38
2.2.3 Puces en verre type «fente» à surface lisse. . . . . . . . . . . . . . 39
2.3 Mesure des profils de vitesse par PIV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.1 Dispositif expérimental et caractéristiques techniques . . . . . . . . 40
2.3.2 Traitement des images par corrélation d’intensité . . . . . . . . . . 41
2.3.3 Préparation des images et optimisation de la corrélation . . . . . . 42
2.3.4 Choix des traceurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.5 Reconstruction des profils de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.6 Limitations de l’approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4 Illustration pour un fluide newtonien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.1 Canal fente en verre lisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.2 Canal canyon rugueux mouillé au glycérol . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.3 Canal canyon rugueux mouillé à l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5 Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
II Écoulements de micelles géantes en microcanal droit 53
3 Phénom